I maskiner og kredsløb er køleplader de mest forsømte komponenter. Dette er dog ikke tilfældet, når man designer hardware, da køleplader spiller en meget vigtig rolle. Næsten alle teknologier inklusive cpu, dioder og transistorer genererer varme, som kan forringe den termiske ydeevne og gøre driften ineffektiv.
For at overvinde udfordringen med varmeafledning er forskellige typer køleplader designet til at arbejde med forskellige komponenter og holde dem i drift ved optimale temperaturer. Med den hurtige udvikling af teknologi (især nanoteknologi) og for at gøre tingene så kompakte og effektive som muligt, ordentlig varme vask design er blevet en check and balance faktor i fremstillingen af elektroniske produkter. Derfor vil denne artikel diskutere detaljerne og designovervejelserne ved køleplader.
A køleplade er en meget brugt metode til at køle dele eller samlinger, der kan blive varme under brug. Mange typer af elektroniske og mekaniske enheder eller maskiner bruger køleplader til at hjælpe dem med at sprede den varme, de genererer. Køleplader er afgørende for enhver maskine, der bruger ledninger, elektronik, mikrochips eller noget andet, der naturligt genererer varme. I den moderne verden dækker det stort set alt.
Hvis du er bekendt med udtrykket 'køleplade', kan du måske forbinde det med bærbare computere, stationære computere, cpu'er eller fremstilling. Det er klart, at størrelsen af sådanne komponenter varierer meget, men de er alle afhængige af køleplader til termisk regulering. I bærbare computere eller pc'er og anden elektronik gør de dette ved at cirkulere varme fra den centrale processor eller mikrochip. Maskiner i masseproduktionsfabrikker og lagre bruger dem ofte til at omdirigere varm luft fra elektriske komponenter og ledninger.
Typer af køleplader
Det første trin i at bestemme et kølepladedesign er at bestemme typen af konfiguration. Der er to populære typer køleplader.
Passive kølelegemer
Passive køleplader er det traditionelle valg; de bruger naturlig luftstrøm. Naturlig konvektion opbygges over kølepladerne og flytter varmen væk fra komponenterne. De er billigere i drift og kræver ikke ekstra strøm.
Aktive kølelegemer
Aktive køleplader er mere effektive og kraftfulde, men de kræver tvungen konvektion og bruger luft eller væske for at muliggøre varmeoverførsel. De er let genkendelige, fordi de bruger motoriserede enheder såsom ventilatorer i nærheden af kølepladerne.
Valg af enhver type køleplader kan føre til designændringer. For eksempel kræver en aktiv køleplade, der er afhængig af en ventilator, et mindre overfladeareal og lettere materialer for at sprede den samme mængde varme som en passiv leder.
Kobber køleplader
Kobber bruges ofte som kernemateriale til en lang række kølepladedesigns på grund af dets imponerende varmeoverførselsegenskaber. Det er en fremragende varmeleder og hjælper med hurtigt og effektivt at transportere varme væk fra den enhed eller det kredsløb, du forsøger at afkøle. På minussiden er kobberkøleplader ofte dyrere (op til tre gange tungere) end populære alternativer såsom aluminium.
Aluminium køleplader
Selvom aluminium ikke leder varme så effektivt som kobber, er det ret let og billigere. Når det anvendes i tynde plader (ekstruderet aluminium) kan det også være et mere strukturelt robust metal, som det er tilfældet med de fleste kobber- og aluminiums kølepladekonstruktioner. Et designtræk ved mange aluminiumskøleplader er at lade varmen stige gennem en række tynde metalfinner – forklaret mere detaljeret i det følgende afsnit.
Nogle typer køleplader, såsom limede finner, kan fremstilles af både kobber og aluminium. Det er ikke ualmindeligt, at det ene metal bruges til bund- eller kontaktpladen (normalt kobber) og det andet til finnerne.
Finnede køleplader
Finnede køleplader er lavet af en solid metalblok, der er fjerbeklædt eller skåret i et antal meget tynde plader, der strækker sig fra en central blok. Dette design giver en køleplade med finner en større overflade. Det kan mere effektivt overføre varme væk fra enhver komponent, som køleren er fastgjort til.
Der er flere potentielle processer, der kan bruges, når man designer og fremstiller en køleplade. I dag er de mest almindelige nok smedning eller trykstøbeforme, eller CNC-bearbejdning el fræsning. Trykstøbte køleplader med ribber er mere almindelige i billigere salg i store mængder, mens CNC-fræsede køleplader med ribber typisk producerer et dyrere, men højere kvalitetsprodukt, der har tendens til at sendes i mindre mængder.
Faste køleplader
En køleplade med stifter kan kaldes enten blot en stiftkøler eller en stiftkøler. Faktisk er det simpelthen et alternativt design til det mere almindelige flade finne-design skitseret ovenfor. I stiftet konstruktion består kerneblokken af et sæt stifter eller stænger, der strækker sig opad eller udad fra dens base. Selve stifterne kan være cylindriske, ovale eller firkantede.
En køleplade med pind er typisk beregnet til at have et større samlet overfladeareal end en køleplade med ribber. De giver dig dog ikke nødvendigvis en væsentlig forbedring af ydeevnen i mange hverdagsapplikationer, og de er normalt ikke så udbredte som finnemodeller.
Materialer til køleplade
Køleplader er normalt lavet af aluminiumslegeringer eller kobber, og materialet bestemmes normalt af anvendelsen, termisk styrke, produktionsmetode og budget.
Aluminiums køleplader er normalt lavet af aluminium 1050 (meget termisk ledende, men lav styrke) eller aluminium 6060, 6061 eller 6063 (mindre ledende, men med bedre mekaniske egenskaber). De mest overkommelige køleplader er normalt lavet af aluminiumslegeringer.
Kobberkøleplader har fremragende varmeledningsevne – det er dobbelt så ledende som aluminium – samt korrosionsbestandighed, antimikrobielle egenskaber og andre ønskværdige egenskaber. Dette gør kobberkøleplader til en førsteklasses mulighed; kobber er dog ikke kun dyrere end aluminiumslegeringer, men det er også ofte sværere at forme.
Graphite
Grafit og andre kulstofmaterialer har termiske egenskaber tæt på kobbers, men er betydeligt lettere. De bruges i applikationer, hvor vægt er en kritisk faktor.
Diamant
Diamant har den bedste termiske ledningsevne af ethvert materiale, men dens høje omkostninger og kompleksitet ved fremstilling begrænser dens anvendelse i specialiserede high-end applikationer såsom halvlederkøling.
Typer af fremstilling af kølelegemer
Hvad gør et simpelt stykke metal til disse komplekse køleenheder? Lad os tage et kig på seks fremstillingsprocesser for køleplade.
Ekstruderet
Ekstrusion er en kontinuerlig proces, hvor aluminium eller andet køleplademateriale opvarmes og presses gennem en matrice med en bestemt tværsnitsprofil. Materialet pudses i sammenhængende længder med den ønskede form og kan derefter skæres til den ønskede størrelse. Dens høje produktionshastighed og omkostningseffektivitet gør den velegnet til højvolumenproduktion. Ensartede materialeegenskaber opretholdes under hele ekstruderingsprocessen.
Die Casting
Under trykstøbningsprocessen sprøjtes smeltet metal, såsom aluminium eller zink, ind i en stålform (form) under højt tryk. Denne aktive proces sikrer, at det smeltede metal fylder støbeformens hulrum fuldstændigt. Da metallet aktivt presses ind i hulrummet, størkner det hurtigt og tilpasser sig formen. Det høje tryk, der opretholdes, sikrer, at hver forms detalje fyldes præcist, hvilket resulterer i en køleplade med komplekse funktioner og glatte overflader.
Stempelfinne
Stempling involverer brugen af matricer og stanser til at skære og forme metalplader til en ønsket form. Denne proces producerer køleplader med specifikke dimensioner og mønstre. Stempling er velegnet til at skabe gentagne mønstre som f.eks. finner, er omkostningseffektiv til mellemstore til store volumener og har relativt høje produktionshastigheder.
Computer Numerical Control (CNC) bearbejdning er den proces, hvorved en computer fortæller en maskine nøjagtigt, hvordan den skal skære en køleplade fra en metalblok. Denne proces giver mulighed for at skabe komplekse geometriske former og indviklede detaljer. Avanceret bearbejdningsteknologi tilbyder flere fordele, herunder høj nøjagtighed og præcision, evnen til at tilpasse designs og egnethed til produktion af små til mellemstore mængder.
Metal Skiving
Skiving er en præcisionsskæreproces, der omdanner en solid blok af metal (normalt aluminium eller kobber) til en køleplade med en række tynde, jævnt fordelte finner. Processen begynder med en rektangulær blok af metal, som derefter bearbejdes for at producere den ønskede ribbede overflade. Finnetykkelser varierer fra 0.25 til 0.8 mm, hvilket giver mulighed for høj termisk effektivitet i lette finner.
Metalsmedning
Smedning involverer formning af metal ved at påføre trykkraft gennem værktøjer såsom matricer, hamre eller presser. Processen forbedrer kornorganiseringen og materialets mekaniske egenskaber. Smedning er valget til fremstilling af køleplade, fordi det producerer stærke strukturer i ét stykke med fremragende varmeoverførsel og lav modstand, perfekt til krævende køleopgaver.
Sammenligning af CNC-bearbejdning og aluminiumsekstrudering til køleplade
På trods af at der er så mange måder at bearbejde køleplade på, er de mest almindelige og mest brugte CNC og ekstrudering.
Fordele ved CNC-bearbejdning køleplade
CNC-bearbejdning giver flere fordele til fremstilling af aluminiumskøleplade:
Præcision og nøjagtighed
CNC-bearbejdning giver mulighed for at skabe meget nøjagtige og præcise kølepladedesign med snævre tolerancer og komplekse geometrier. Dette muliggør produktion af køleplade med optimal termisk ydeevne, skræddersyet til de specifikke krav til applikationen.
Materiale alsidighed
CNC-bearbejdning giver mulighed for bearbejdning af en bred vifte af aluminiumslegeringer, hver med deres egne unikke egenskaber og egenskaber. Denne fleksibilitet giver producenterne mulighed for at vælge det optimale køleplademateriale baseret på faktorer som termisk ledningsevne, korrosionsbestandighed og vægt.
Reducerede leveringstider
CNC-bearbejdningsprocesser kan producere aluminium køleplade relativt hurtigt, især sammenlignet med andre fremstillingsmetoder. Dette hjælper med at reducere gennemløbstider og øge den samlede produktivitet.
Tilpasning
CNC-bearbejdning giver mulighed for meget tilpassede kølepladedesign, hvilket gør det muligt for producenterne at tilbyde skræddersyede løsninger til deres kunder. Dette er især fordelagtigt for nicheapplikationer eller specialiserede industrier, hvor hyldeløsninger måske ikke er egnede.
Fordele ved ekstruderet aluminiumskøleplade
Aluminiumsekstrudering tilbyder også flere vigtige fordele til fremstilling af køleplader.
Effektiv produktion
Ekstrudering er en iboende effektiv fremstillingsproces, da den skaber kontinuerlige aluminiumsprofiler med minimalt spild. Dette kan resultere i omkostningsbesparelser, især ved masseproduktion.
Designfleksibilitet
Selvom det ikke er så alsidigt med hensyn til designkompleksitet som CNC-bearbejdning, giver aluminiumsekstrudering stadig mulighed for en bred vifte af kølepladeformer og størrelser. Dette er fordelagtigt for producenter, der søger at finde en balance mellem designfleksibilitet og produktionseffektivitet.
Konsekvent kvalitet
Ekstruderingsprocessen producerer køleplade af aluminium med ensartet kvalitet og ensartede materialeegenskaber. Dette er med til at sikre, at kølepladen fungerer pålideligt og effektivt i hele dens levetid.
Skalerbarhed
Aluminiumsekstrudering er meget skalerbar, hvilket gør den ideel til producenter, der har brug for at producere store mængder køleplade. Ekstruderingsprocessen kan let skaleres op eller ned for at imødekomme forskellige produktionskrav uden væsentlig indflydelse på omkostninger eller leveringstider.
CNC maskinbearbejdede køleplader | Ekstruderet køleplade af aluminium | |
Præcision og nøjagtighed | Høj præcision og nøjagtighed med snævre tolerancer og komplekse geometrier for optimal termisk ydeevne. | Selvom de er præcise, når de måske ikke den kompleksitet, som CNC-bearbejdning kan give. |
Materiale alsidighed | Kan arbejde med en bred vifte af aluminiumslegeringer, hvilket giver mulighed for optimal materialevalg baseret på termisk ledningsevne, korrosionsbestandighed og vægt. | Typisk begrænset til specifikke aluminiumslegeringer, der er egnede til ekstruderingsprocessen. |
Produktionshastighed | Relativ hurtig produktion, hvilket reducerer gennemløbstider. | Den meget effektive produktionsproces er velegnet til store produktionsserier. |
Tilpasning | Den høje grad af tilpasning giver mulighed for skræddersyede løsninger. | En vis grad af designfleksibilitet, men ikke så høj som CNC-bearbejdning. Ideel til standard former og størrelser. |
Konsistens og kvalitet | Ensartet kvalitet, afhængig af præcisionen af CNC-maskinen og programmet. | Ensartet kvalitet med ensartede materialeegenskaber på grund af arten af ekstruderingsprocessen. |
Skalerbarhed | Skalerbar, men opsætnings- og programmeringstiden kan øges for forskellige designs. | Meget skalerbar, ideel til store mængder, med minimal indvirkning på omkostninger eller leveringstider ved ændring af produktionsvolumen. |
Både CNC-bearbejdning og aluminiumsekstrudering har deres egne fordele og ulemper, når det kommer til produktionseffektivitet. CNC-bearbejdning kan producere meget komplekse og tilpassede køleplader, men processen kan være mere tidskrævende og dyr, især til store produktionsserier. Aluminiumsekstrudering er på den anden side en mere effektiv og omkostningseffektiv metode til at producere store mængder køleplader, selvom processen måske ikke er egnet til meget komplekse eller specialiserede designs.
I sidste ende vil valget mellem CNC-bearbejdning og aluminiumsekstrudering til fremstilling af køleplader afhænge af faktorer som kompleksiteten af designet, mængden af krævet produktion og de specifikke krav til termisk styring af applikationen.
Sådan vælger du den rigtige køleplade
Når du spørger dig selv: "Hvilken type køleplade skal jeg købe?" svaret afhænger næsten altid af din specifikke opsætning og kølebehov. Det første trin i at forstå, hvordan man vælger en køleplade, er at bestemme nogle grundlæggende detaljer om din påtænkte anvendelse.
Nøgleovervejelser for optimalt valg af køleplade omfatter.
Hvilken slags strømforbrug vil den pågældende komponent bruge. Dette omtales ofte som TDP (Thermal Design Power eller Thermal Design Profile). TDP bruges ofte som en grundlæggende indikation af strømforbruget af en komponent, især cpu (processor) og gpu (skærmkort). TDP-klassificeringen angiver den maksimale mængde varme i watt, som en komponent kan bruge. Dette er ofte en god indikator for, hvor varm en bestemt komponent har potentialet til at blive under belastning. Ideelt set, hvor kølig komponenten skal forblive for optimal ydeevne.
Hvor meget plads er der til rådighed til at installere en køler, radiator eller radiator – de kommer i en række forskellige størrelser fra små modulære radiatorer til meget større installationer. Hvilken type radiatordesign eller layout vil give den bedste termiske ydeevne til din systemspecifikation.
Har du brug for en aktiv eller passiv radiator?
Hvor meget er du villig til at bruge på en køler?
Konklusion
Sammenfattende spiller køleplader en afgørende rolle i styringen af temperaturniveauerne for elektroniske enheder, hvilket giver en effektiv og omkostningseffektiv løsning til termisk styring. Ved at forstå materialerne, designovervejelserne og ydeevnefaktorerne forbundet med køleplader, kan du træffe informerede beslutninger for at optimere køleløsningen til din applikation. Hos AN PROTOTYPE leverer vi køleplader af høj kvalitet, der er skræddersyet til dine behov, hvilket sikrer pålidelig ydeevne og lang levetid for dine elektroniske systemer.